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半固态制坯方法及成形工艺

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电磁搅拌法制备半固态浆料(1)

电磁搅拌法制备半固态浆料(1)

电磁搅拌的不足之处： 1、熔体温度的控制 ； 高熔点合金温度调节灵敏度低，需使用感应加热等内热加热 方式。 对策：采用具有自动控制功能的感应加热系统。 2、有效力矩小； 高熔点合金容器壁厚大效率低，搅拌力矩低等问题。 对策：对搅拌线圈及其控制系统进行专门设计。 3、加热与搅拌之间的干扰; 由于要同时使用感应加热和电磁搅拌，且两者功率都很大。 会产生干扰。 对策：加热与搅拌统筹设计。
触 变 成 形
部件毛坯
2.基本概念
01
金属半固态的制备方法
金属半固态浆料或坯料的制备是半固态成形加工的 基础，目前半固态浆料或坯料的制备方法很多，但 常用的方法主要是电磁搅拌法和机械搅拌法，其中 电磁搅拌法占主导地位。
电磁搅拌法制备半固态浆料的技术
电磁搅拌法 (Electromagnetic Stirring Method, 简 称EMS)是利用感应线圈产生的平行于或者垂直于铸 形方向的强磁场对处于液－固相线之间的金属液形 成强烈的搅拌作用，产生剧烈的流动，使金属凝固 析出的枝晶充分破碎并球化，进行半固态浆料或坯 料的制备。
金属熔体的实际转速与旋转磁场的转速是有差异的。这种差异的大小用转差 率描述，即
式中n为金属熔体的实际转速。线圈与熔体之间的距离越大，转差率也越大。 由此可见，影响金属熔体搅拌强度的主要因素有旋转磁场的磁感应强度、旋 转磁场与金属熔体的相对速度、金属熔体电导率。提高搅拌效果的关键是提高熔 体内的有效搅拌转矩和转速。
3.技术原理
1．搅拌线圈 2、4．绝缘层 3．中频感应加热线圈 5．隔热层 6．塞棒 7．坩埚 半固态浆料制备机结构原理示意图
电磁搅拌法的原理是在旋转磁场的作用下， 使熔融金属液在容器内作涡流运动。 电磁搅拌法之所以能够作为半固态浆料的主流制备方法就是利用了电磁力产生 的金属液的强迫流动来影响和控制凝固过程。 金属熔体所受的电磁力F与金属熔体的感应电流密度I和旋转磁场的磁感应强度B 有如下的关系：

金属材料成型_6.2_半固态成形技术路线

金属材料成型_6.2_半固态成形技术路线

图6-8 半固态成形技术的两种工艺路线
对于流变成形，由于把浆料制备和加工成形相承接，具有生产效率高 、整体流程短的特点，近年来发展十分迅速，不过浆料的保存和输送难度 大，设备自动化控制复杂，成本相对高。对于触变成形，浆料的制备和最 终成形可分开进行，成形厂方甚至可以不参与熔炼制浆，只需提供二次 加热，工业污染小，而且半固态坯料输送方便，易于实现自动化，因而在 国外较早得到了广泛应用，不过这种方式的缺点是坯料经过冷却和再加热 的过程，能源消耗有所增加。
图6-9 机械搅拌制备半固态浆料
b、电磁搅拌法
电磁搅拌法是目前半固态成形工业生产上最成熟最广泛被应用的制浆 方法，它是在感应线圈中通入一定相位的交变交流，从而产生变换旋转的 磁场，而金属液中便有感应电流产生，洛伦兹力就驱使金属熔体产生剧烈 运动，使非枝晶凝固模式取代传统的枝晶凝固趋势，从而获得含有球形固 相的半固态浆料。如图6-10所示，按熔体被搅拌力驱动的流动方式，一般 分为垂直式、水平式、螺旋式。电磁搅拌采用无接触式地对合金熔体进行 搅动，对合金污染极大降低，且通过调节电流、磁场强度和频率等参数就 能实现搅拌效果的控制，可以连续高效地制备坯料，适用于工业化的生产 应用。但由于电磁搅拌的集肤效应，通常认为，直径大于150mm的铸坯 不宜采用电磁搅拌法。
c、注射成型法
注射成型法是将低熔点金属颗粒进行加热至半固态成型，尺寸为几毫米的合金 粒子在料筒中边被加热边被螺旋体剪切推进，通过螺旋强制对流的搅拌作用，得 到细小均匀球状晶的半固态浆料组织，然后以高速（注塑十倍速度）注入模腔里 。这种方法非常适于相对较活泼的镁合金材料，在整个浆料制备和成型工艺中可 以不使用保护气体和防氧化剂，不需要配备熔化炉，而且不会产生浮渣、炉渣等 ，兼顾安全性和环保。

2.2 半固态成型

2.2 半固态成型
1．半固态合金的制备方法 机械搅拌法：搅拌棒法、 1) 机械搅拌法：搅拌棒法、旋 转简法 电磁搅拌法：感应线圈法、 2) 电磁搅拌法：感应线圈法、 旋转永磁体法 紊流效应法。 3) 紊流效应法。特制多流装置 产生紊流效应打碎枝晶 应变激活工艺： 4) 应变激活工艺：常规铸锭预 变形（20%）， ），然后加热到半 变形（20%），然后加热到半 固态并适当保温得之。 固态并适当保温得之。
成形工艺有较大发展，触变成形工艺已很成熟， 3. 成形工艺有较大发展，触变成形工艺已很成熟，在工业中 应用广泛。而流变成形工艺发展较慢。 应用广泛。而流变成形工艺发展较慢。目前只有射铸成形 thixmolding)技术应用于镁合金 (injection molding or thixmolding)技术应用于镁合金 零件生产。但与触变成形相比，流变成形有诸多优点， 零件生产。但与触变成形相比，流变成形有诸多优点，因 而是未来成形技术的发展方向。 而是未来成形技术的发展方向。 计算机技术在工艺中得到广泛应用， 4. 计算机技术在工艺中得到广泛应用，包括成形过程的数值 模拟及软件。 模拟及软件。 半固态合金的流变性能研究， 5. 半固态合金的流变性能研究，流变性能与组织的关系及性 能的影响。 能的影响。
2．2 半固态成型 （Semi-solid processing） ． ） 2.2.1 概述 2.2.2 半固态下合金流动性能 1. 半固态合金的制备方法 2. 半固态合金凝固过程的组织演化与合金组织 3. 半固态合金的流变性能表达 2.2.3 半固态成形方法 1. 2. 3. 4. 流变成形（ 流变成形（Rheocasting or Rheoforming） ） 触变成形 （Thixocasting） ） 铸锻成形 复合铸造
液态模锻 液态挤压 连续铸挤 液态轧制

3~4半固态成型

3~4半固态成型

半固态铸造生产线及自动化
半固态流变成形生产线 该系统由铝合金熔化炉、挤压铸造机、转盘式制 浆机、自动浇注装置、坩埚自动清扫、喷涂料装置等 组成。其工艺过程为：浇注机械手3将铝液从熔化炉2 中浇入制浆机4的金属容器中冷却；同时浆料搬运机 械手5从制浆机的感应加热工位抓取小坩埚，搬运至 挤压铸造机并浇人压射室中成形；随后继续旋转将空 坩埚返回送至回转式清扫装置上的空工位，并从另一 个工位抓去一个清扫过的小坩埚旋转放置到制浆机上； 制浆机和清扫机同时旋转一个角度，进入下一个循环。
半固态铸造成形装备
半固态铸造成形装备主要包括半固态浆料 制备装备、半固态成形装备、辅助装置等。 按流变铸造和触变铸造分类，又有流变铸 造装备和触变铸造装备。 半固态浆料的制备方法主要有机械搅拌、 电磁搅拌、单辊旋转冷却、单／双螺杆法等。 其基本原理都是利用外力将固液共存体中的固 相树枝晶打碎、分散，制成均匀弥散的糊状金 属浆料。最新发展的还有倾斜冷却板法、冷却 控制法、新MIT法等。
半固态铸造成形装备
一步法— 流变铸造 半固态铸造成形是在液态金属凝固的过程中进行强烈 的搅动，使普通铸造凝周易于形成的树枝晶网络骨架被打 碎而形成分散的颗粒状组织形态，从而制得半固态金属液， 然后将其铸成坯料或压成铸件。 根据其工艺流程的不同，半固态铸造可分为流变铸造 二步法— 和触变铸造两大类。 触变铸造 流变铸造是将从液相到固相冷却过程中的金属液进行 强烈搅动，在一定的固相分数下将半固态金属浆料压铸或 挤压成形，又称“一步法”； 触变铸造是先由连续铸造方法制得具有半固态组织的 锭坯，然后切成所需长度，再加热到半固态状，再压铸或 挤压成形，又称“二步法”。
半固态铸造的其他装置
流变铸造采用“一步法”成形，半 固态浆料制备与成形联为一体，装备 较为简单； 触变铸造采用“二步法”成形，除 有半固态浆料制备及坯料成形装备外， 还有下料装置、二次加热装置、坯料 重熔测定控制装置等。

半固态金属成形技术

半固态金属成形技术

二、半固态成形技术的发展简史
起源和发展
半固态加工起源于美国。20世纪70年代初,麻省理工学院 Spencer和Flemings等人发现凝固过程中的金属材料经强力搅 拌,会生成近球状晶或球状晶组织。 30多年的发展历程中,SSM技术在制坯、重熔加热、零件成 形、组织与力学性能、加工环节数值模拟以及合金流变学研究 等许多方面取得重大进展。目前,这项技术已广泛应用于汽车 工业领域,在航空、航天以及国防工业领域也正处于应用的起 步阶段,具有广阔的前景。 半固态金属加工技术是近多年来才诞生和发展起来的现代 冶金加工新技术。它虽然诞生晚, 但发展很快, 只用十几年的 时间就从试验室过渡到试生产, 又很快实现了产业化和商品化。 被世人称为新一代的合金成形工艺。
三、半固态金属加工的优缺点
优点：
（1） 由于在半固态, 合金具有独特的触变 行为, 可成型复杂的薄壁的零部件
（2）加工件的精度高, 几乎是近净成形, 尺 寸公差接近机加精度 （3）成形件表现平整光滑, 内部组织致密, 缺陷少, 晶粒细小, 力学性能高,可达锻 件性能
（4）节省原材料、能源, 生产同样的零部件, 它与普通铸造相比, 节能约35% （5）成品率高, 几乎达100%
半固态金属成形
一、概念
半固态金属成形技术（Semi-Solid Metal processing，SSM），它是利用在固-液态区间 获得一种液态金属母液中均匀地悬浮着一定固 相组分（50%-60%）合金的混合浆料进行加工 成形的方法。 半固态成形是利用金属材料从固态向液态, 或从液态向固态的转换过程中具有半固态的特 性所实现的成形。
影响因素对结构影响的具体分析
1、板长固定，不同板角下的组织形貌
20度
5度
7.5度

半固态金属成形技术

半固态金属成形技术

半固态加工的主要成形手段有压铸和锻造
其工艺路线有两条：
一是将半固态金属浆料冷却凝固后下料, 再将此半固态金属坯料重新加热到半固态 温度进行成形, 通常称为触变成形。
另一条是将搅拌获得的半固态浆料在保持 其半固态温度条件下, 直接成形, 称为流 变铸造。
五、半固态金属加工的适用范围
合金
铝、镁、锌、铜、镍、钢铁等有较宽液-固 共存区的合金体系均适用。尤其是低熔点的铝镁 最为适用, 因此, 目前铝合金及镁合金利用半固 态加工技术, 大批量生产其零部件并已获得广泛 应用。
六、具体应用实例
斜板法对球墨铸铁结构的影响
什么是斜板法？
斜板法是一种将剪切应力应用于生产具有球状 半固态铸件的新方法。在这种方法中，适当过热的融 化的金属在流过斜板后被浇注进模具中。由于在金属 和斜板之间的热转移，固态形核发生了。然后，由于 剪切应力和金属流动，形核颗粒从表面分离。这些颗 粒进而分散到金属中。在斜板法中，像过热，斜板长 度，模具材料，倾斜，斜板材料这些因素都影响最后 的微观结构。
影响因素和最佳工艺参数
斜板法中，板的长度和倾斜度对铸件 结构有比较大的影响
最佳的石墨球形化和固态颗粒球形化 的条件为:冷却速率为67 K·s−1,倾斜板 的倾斜角度为7.5度,倾斜板的长度为 560mm。结果还显示,当全部的加工时间很 短的时候,倾斜板很容易阻止变质剂失效。
优点：
与压铸方法和传统的铸造方法相比， 这种方法有更好的机械性能，并且减少 孔隙率，这是由于缩减体积的减少以及 更能均匀的填充模具。
与传统金属加工的方法比较
传统的金属加工方法主要分为压力加工和 铸造加工,而半固态加工被世人称为现代冶金 加工新技术, 以上三种方法分别利用了金属固 有的特性进行加工成形。

半固态金属铸造工艺

半固态金属铸造工艺

半固态金属铸造工艺Company Document number：WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998半固态金属铸造工艺概述工艺原理在普通铸造过程中，初晶以枝晶方式长大，当固相率达到左右时，枝晶就形成连续网络骨架，失去宏观流动性。

如果在液态金属从液相到固相冷却过程中进行强烈搅拌，则使普通铸造成形时易于形成的树枝晶网络骨架被打碎而保留分散的颗粒状组织形态，悬浮于剩余液相中。

这种颗粒状非枝晶的显微组织，在固相率达时仍具有一定的流变性，从而可利用常规的成形工艺如压铸、挤压，模锻等实现金属的成形。

合金制备制备半固态合金的方法很多，除机械搅拌法外，近几年又开发了电磁搅拌法，电磁脉冲加载法、超声振动搅拌法、外力作用下合金液沿弯曲通道强迫流动法、应变诱发熔化激活法（SIMA）、喷射沉积法（Spray）、控制合金浇注温度法等。

其中，电磁搅拌法、控制合金浇注温度法和SIMA法，是最具工业应用潜力的方法。

3.3.1机械搅拌法机械搅拌是制备半固态合金最早使用的方法。

Flemings等人用一套由同心带齿内外筒组成的搅拌装置（外筒旋转，内筒静止），成功地制备了锡-铅合金半固态浆液；等人用搅拌桨制备了铝-铜合金、锌-铝合金和铝-硅合金半固态浆液。

后人又对搅拌器进行了改进，采用螺旋式搅拌器制备了ZA-22合金半固态浆液。

通过改进，改善了浆液的搅拌效果，强化了型内金属液的整体流动强度，并使金属液产生向下压力，促进浇注，提高了铸锭的力学性能。

3.3.2 电磁搅拌法电磁搅拌是利用旋转电磁场在金属液中产生感应电流，金属液在洛伦磁力的作用下产生运动，从而达到对金属液搅拌的目的。

目前，主要有两种方法产生旋转磁场：一种是在感应线圈内通交变电流的传统方法；另一种是1993年由法国的推出的旋转永磁体法，其优点是电磁感应器由高性能的永磁材料组成，其内部产生的磁场强度高，通过改变永磁体的排列方式，可使金属液产生明显的三维流动，提高了搅拌效果，减少了搅拌时的气体卷入。

半固态成形

半固态成形

如果浆流变浆料凝固成锭，按需要将此金属 锭切成一定大小，然后重新加热(即坯料的二 触变成形 thixoforming 次加热)至金属的半固态温度区(金属锭称为半 固态金属坯料)。利用金属的半固态坯料进行 成形加工的方法为触变成形
金属材料在液态、固态和半固态三个阶段均呈现出明显不同的物理特性，利 用这些特性，产生了凝固加工、塑性加工和半固态加工等多种金属热加工成形 方法。图1表示金属在高温下三态成形加工方法的相互关系
(7) 倾斜冷却板制备法 原理：如图10所示，金属液通过坩埚倾倒在内部具有水冷却装置的冷却 板上，金属液冷却后达到半固态。，流入模具中制备成半固态坯料。
图10 倾斜冷却板制备半固态坯料的工艺及设备图
4、半固态金属触变成形
(1) 触变成形工艺及设备 触变成形(Thixomolding)由美国的Dow公司开发的，1992年由日本引入 并完成成形机的研制开发。图11为Thixomolding工艺的简图，其设备由原 料入料与预热装置、螺旋注射机、加热装置以及压铸机等部分组成。 设备特点： ① 原料进入料斗后边加热边剪切 搅拌，最后形成半固态的状态 再射入模具中； ② 半固态浆料的固相分数可控性 强，成形件质量高、性能稳定 ③ 螺旋机内密闭性好，在成形过 程中不需要严格的保护性气氛 进行保护，仅在投料口处用少 量的Ar气保护即可。
(3) 应变诱导熔化激活法
利用传统连铸方法预先连续铸造出晶粒细小的金属锭坯。
将该金属锭坯在回复再结晶的温度范围内进行大变形量 的热态挤压变形，通过变形破碎铸态组织。 再对热态挤压变形过的坯料加以少量的冷变形，在坯料的 组织中储存部分变形能力。
机械搅拌示意图
按需要将经过变形的金属锭坯切成一定大小，迅速将其加热到固液两相区并 适当保温，即可获得具有触变性的球状半固态坯料。

3A21铝合金半固态坯料制备工艺研究

3A21铝合金半固态坯料制备工艺研究
８ ． ｍ ， 均 形 状 系 数 Ｆ ０ ８ 。 ３７ 平 一 ． ４
关 键 词 ：半 固态 ； 径 角挤 压 ； Ａ １铝合 金 ； 积 圆直径 ；形状 系数 等 ３ ２ 等
中 图 分 类 号 ：ＴＧ３ ６ ７ 文 献 标 识 码 ：Ａ
文 章 编 号 ： ６ ４６ ５ （ ０ ２ ０ －０ １０ １ ７ —４ ７ ２ １ ） ６０ ７ －７
（ ｃ ｏ ｌ ｆＭ ａ ｅ ｉ ｌ Ｓ ｉｎ ｅ ａ ｄ Ｅｎ ｉ ｅ ｒｎ Ｓ ｈ ｏ ｔ ｒａｓ ｃｅ ｃ ｎ ｇ ｎ ｅ ｉ ｇ，Ｈ ｅ ｅ Ｕｎ ｖ ｒ ｉ ｆＴｅ ｈ ｏ ｏ ｙ ｏ ｆｉ ｉｅ ｓｔ ｏ ｃ ｎ ｌ ｇ ，Ｈ ｅｅ ，２ ０ ０ ｙ ｆ ｉ ３ ０ ９，Ｃｈ ｎ ） ｉａ
第 ４卷
第 ６期
精
பைடு நூலகம்
密
成
形
工
程
３ ２ Ａ １铝 合 金 半 固态 坯 料 制 备 工 艺研 究
王 雪 ， 萍 ，朱 广 余 李
（ 肥 工业 大学 材料 科 学与工 程 学 院 ， 肥 ２ ０ ０ ） 合 合 ３ ０ ９
摘要 ：以 ３ １ 合金 为研 究对 象， 等 径 角挤 压 工 艺与 等温 处 理 工艺 相结 合 ， 实验 角度研 究其 中的 Ａ２ 铝 将 从 工 艺参数 对半 固态组 织尺 寸 形 貌 的影 响 。采 用 Ｂ 路 径 进 行 Ｅ ＡＰ ３道 次 处理 ， ｃ Ｃ 然后在 ６ ０℃ 下保 温 ２ ， ６ ０
演化越 完全 ， 晶粒球 化越 完整 ， 晶粒 尺 寸会 随着保 温 时 间的 延 长 而长 大 。最后 得 出最佳 工 艺参 数 匹配 ： 但 室
温 下 沿 Ｂ 路 径 等 径 角挤 压 ３道 次 ，６ ｃ ６ ０℃ 下 保 温 ２ ｎ 最 终 半 固 态 坯 料 显 微 组 织 的 平 均 等 积 圆 直 径 ｄ一 ５ｍ｛ ；

一种金属半固态坯料的制备装置及其制备方法[发明专利]

一种金属半固态坯料的制备装置及其制备方法[发明专利]

(10)申请公布号(43)申请公布日 (21)申请号 201510292612.7(22)申请日 2015.05.29C22C 1/00(2006.01)C22C 33/00(2006.01)(71)申请人安徽工业大学地址243002 安徽省马鞍山市花山区湖东路59号(72)发明人尹振兴 王海川 李杰 田恒陈召飞 孙宇恒 钱立新(74)专利代理机构南京知识律师事务所 32207代理人蒋海军(54)发明名称一种金属半固态坯料的制备装置及其制备方法(57)摘要本发明公开了一种金属半固态坯料的制备装置及其制备方法，属于金属材料与冶金技术领域。

本发明的一种金属半固态坯料的制备装置，包括加热机构、坩埚和升降平台，其中，所述的加热机构包括交流电源和加热线圈，加热线圈通过导线与交流电源相连，且上述加热线圈包括第一线圈和第二线圈；坩埚固定于升降平台上且置于第一线圈和第二线圈内部；本发明的一种金属半固态坯料的制备方法，包括循环重熔处理工序，其循环重熔处理主要是通过交替关闭第一线圈和第二线圈，控制金属熔体的中心温度处于其半固态温度区间，上下循环地移动坩埚来进行的。

通过使用本发明，可以得到纯净无污染的金属半固态坯料，设备和操作简单，成本低，广泛适用于各种合金材料。

(51)Int.Cl.(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书1页 说明书7页 附图2页(10)申请公布号CN 104846219 A (43)申请公布日2015.08.19C N 104846219A1.一种金属半固态坯料的制备装置，包括加热机构和坩埚(5)，其特征在于：还包括升降平台(6)，其中，所述的加热机构包括交流电源(1)和加热线圈，所述的加热线圈通过导线与交流电源(1)相连，且上述加热线圈包括第一线圈(401)和第二线圈(402)；所述的坩埚(5)固定于升降平台(6)上且置于第一线圈(401)和第二线圈(402)内部。

2.根据权利要求1所述的一种金属半固态坯料的制备装置，其特征在于：在所述的坩埚(5)顶部设有保护气体进口(2)。

轻金属半固态成形技术-第3章

轻金属半固态成形技术-第3章

❖ 利用变形诱变激活工艺制备半固态金属坯料时，也可以 不进行冷变形，只进行大变形量的热变形，如锻造、挤 压，然后将变形后的坯料进行半固态重熔加热，也可以 得到近球状的半固态组织。
❖ 通过对仅热变形的7075铝合金坯料进行触变成形实验， 发现其合适的重熔加热温度为600-610oC，此时对应的 液相分数为15%~30%，但重熔加热组织形态和成形后 的组织形态均不太理想，存在长条状颗粒，触变成形性 也较差。
变形诱导激活工艺的优点与缺点：
该工艺方法制备的金属坯料纯净、生产效率高、产量大， 主要用于锻铝及铁基材料，是目前商用方法之一；
需要很大的挤压变形量，导致坯料价格昂贵、断面小， 只能制备小直径的半固态坯料，只能生产小型零件，如 美国阿卢马克斯工程金属工艺公司利用该法生产军用航 天器中的一种小型电器连接零件。
3.1 机ห้องสมุดไป่ตู้搅拌方法
3.1.1 非连续机械搅拌法
➢ 最早应用于制备半固态金属浆料的方法； ➢ 利用机械旋转的叶片或搅拌棒使金属熔体激烈流动，
获得球状初生固相的半固态金属浆料； ➢ 通过控制搅拌室的温度来控制半固态金属的固相率，
通过控制搅拌棒的转速来控制剪切速率，可以保证剪 切速率不变； ➢ 该装置结构简单，造价低，操作方便，可以添加各 种气体保护，但产量很小，只适用于实验室的小规模 试验研究工作，见下图。
变形诱变激活工艺制备A357铝合金坯料的显微组织 (a) 连铸坯组织 (b)挤压变形后的组织 (c) 重熔加热后的组织
•a是A357铝合金连铸棒坯的铸态组织，初生α-Al为发达的树枝晶； •b是经过大变形量的热挤压和小变形量的冷变形后的A357铝合金坯 料显微组织，初生α-Al呈现明显的变形状态； •c是经过快速半固态重熔加热的A357铝合金坯料显微组织，初生αAl已经变为球状晶粒，初生α-Al均匀分布在液相中。

半固态成形技术(1)

半固态成形技术(1)
D2、HS6-5-2高速工具钢、100Cr6钢、60Si2Mn弹簧钢、 AISI304不锈钢、C80工具钢、铸铁等
.
13
高熔点黑色金属半固态加工进展缓慢
• 选择的材料液固线温度区间较小； • 高温半固态浆料难以连续稳定地制备； • 熔体的温度、固相的比率和分布难以准确控制； • 浆料在高温下输送和保温困难； • 成形温度高，工具材料的高温性能难以保证等。
SSM
铸态
110
220
14
60
SSM
T4
130
250
20
70
SSM
T5
180
255
5~10
80
A356
SSM
T6
240
320
12
105
(Al7Si0.3Mg)
PM
T6
186
262
5
80
PM
T51
138
186
2
——
CDF
T6
280
340
9
——
注：SSM为半固态加工；PM为金属型铸造；CDF为闭模锻造
.
19
几种铸造方法铸件性能比较
.
20
3、金属半固态的制备方法
金属半固态浆料或坯料的制备是半固态成形加工的基础，目前半固态浆 料或坯料的制备方法很多，常用的方法是有电磁搅拌法和机械搅拌法。
(1) 电磁搅拌法 电磁搅拌法是利用感应线圈产生的平行于或者垂直于铸型方向的强磁场
对处于液-固相线之间的金属液形成强烈的搅拌作用，产生剧烈的流动， 使金属凝固析出的枝晶充分破碎并球化，进行半固态浆料或坯料的制备。
③ 随着温度的继续下降，最终使得这种蔷薇形结构演化成更简单的球 形结构，演化过程如图8所示。
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2013-8-13
变形诱变激活法
图1-10 等径道角挤压前后的微观组织形貌
新SIMA法制备AZ91D 镁合金半固态坯的微观组织晶粒 十分细小，平均晶粒尺寸在20-50mm 之间，晶粒更加 细小，球化程度高。
2013-8-13
变形诱变激活法
该方法制备半固态金属坯料纯净、生 产效率较高，是目前实际商业应用的方法 之一,但工艺比较复杂，需要增加一道挤压 变形工序，而且由于该方法需要很大的挤 压变形量，只能制备小直径的金属半固态 坯料。 变形诱变法不仅能制备铸造铝合金的 坯料，还能制造变形 铝合金的半固态坯料， 也能制备铜合金、黑色合金的半固态坯料。 目前美国的阿卢马克斯工程金属工艺公司 利用这种专有技术生产一种军用航天器中 的小型电器零件[2]
图1-3 垂直连续电磁搅拌连铸示意图
2013-8-13
电磁搅拌法
1
不存在类似于机械搅拌的叶片或搅拌棒， 不会污染半固态合金浆料 通过专门技术处理，避免铝合金熔体电磁 搅拌过程中的气体卷入
参数控制灵活方便，便于控制半固态铝合 金浆料的生产 但电磁搅拌设备复杂、能耗大、生产成本 高，最大的缺点是不能生产尺寸大的铸锭。 设备昂贵，另外工艺也比较复杂
该装置中，合金11放入融化 坩埚9中，坩埚9再放置在炉 体10中，通过电阻炉控制合 金的融化、降温和凝固；搅 拌器为反向转动的一对叶片7， 通过电动机2带动；坩埚9还 可以通过另一个电动机15带 动，强化合金熔体的搅拌作 用。
图1-5 非连续机械搅拌示意图 1-炉温控制器 2、15-电动机 3、4、12、14轴承 5-齿轮 6-浇勺 7-叶片8-热电偶 9-坩埚 10-炉体11-合金液13-传动轮
喷射沉积工艺制备的半固态坯 料质量好，便于半固态重熔加 热和触变成形，但坯料的制备 价格比较昂贵，只适合制备高 级或难熔合金坯料和成形高级 零件毛坯，尚不能大规模应用。
(b)喷射沉积态 图1-12【1】
2013-8-13
半固态制坯方法
五、液相线铸造法【4】
液相线铸造法是由东北大学与澳大利亚墨尔本大学合作开 发的一种新型制浆技术。与传统的铸造方式不同，液相线铸造 法是采用低温浇铸即在合金的液相线温度进行浇铸，通过控制 浇注温度、保温时间、冷却速率等因素，可获得与传统铸造枝 晶组织不同的细小、等轴、非枝晶晶粒。 液相线铸造制浆原理 根据经典形核理论，形核时体系自由能变化为:
7.雾化气体；8.沉积体；9.运动机构； 10.排气及取料室
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喷射沉积法
图1-12分别是Cu-9Ni-6Sn合金铸 态和喷射沉积态的金相组织。对 比图l(a)、(b)可见，熔铸法制 备的合金，其组织呈典型的树枝 状，晶粒粗大；而喷射喷射沉积 法制备的合金，其组织为细小、 均匀的近等轴晶粒。
2013-8-13
半固态成形工艺
2013-8-13
半固态制坯方法
六、紊流效应方法 七、低过热度浇注方法
八、超声振动法
九、单辊旋转法 十、晶粒细化及半固态重熔法
这些工艺尚处于研究开发阶段，未能得到大规模的应用
2013-8-13
半固态成形工艺
半固态金属加工技术作为一种新型的金属成形工艺， 极大地改变了传统的材料加工概念和手段，对于各种 固液两相温度间隔比较大的合金材料特别具有吸引力， 可以获得性能优异的各种金属材料和复合材料，被许 多世界著名的专家称为21世纪新兴的金属制造关键技 术之一，是“21世纪最有发展前景的进净成形技术”， 在国外获得了越来越广泛的应用，对半固态加工技术 的研究成为当今各发达国家竞相发展的一个领域。【6】
图1-7 连续机械搅拌法示意图[1]
1-金属液 2-中间包 3-感应加 热器 4-中间包出口 5-挡板 6搅拌室 7-螺杆 8-传动轴 9-感 应加热器 10-冷却 11-冷却箱 入口 12-冷却箱出口 13-半固 态金属浆料出口 14-塞头
2013-8-13
机械搅拌法
首先将过热的金属液浇人到中间包2内，中间包2周围 环绕着感应加热器3，中间包2的底部开设3个小间包出 口4，这些出口的大小由挡板5控制，搅拌室6安装在中 间包出口4的下方，并要防止气体从接缝进入搅拌室； 当金属液1处于过热状态时，可以打开挡板5，让金属液 1进入搅拌室6；搅拌室外分别设量感应加热器9和冷却 箱10，冷却箱的人口和出口分别为11和12，这些措施便 于控制搅拌室的传热和金属熔体的温度；搅拌螺杆7安 装在传动轴8上。当过热金属液1进入搅拌室6时，就可 以开动传动轴，带动螺杆7搅拌金属熔体；搅拌室6的下 方设置出口13，半固态金属浆料在重力或外加压力的作 用下排出搅拌室，半固态金属浆料流量的大小由搅拌螺 杆7的下端塞头14与出口的距离来控制。
液相线连铸法
在实验室中已成功地制备出7075,2168,A356,112等铝 合金和AZ91D镁合金半固态坯料。近年来，对几种具有代 表性的铝合金，如铸造合金A356、耐热合金2618、高强合 金7075、压铸合金112的液相线半连续铸造制浆进行了系 统的研究工作，取得了一系列重要成果。 112合金是压铸 铝合金，具有良好的铸造性能和力学性能，很好的流动性、 气密性和热抗裂性，在汽车、电子等行业内有广泛地应用。 【5】
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半固态制坯方法
四、喷射沉积方法
原理： 喷射沉积是利用惰性气 体将液态金属雾化，这些极 细小的金属熔滴高速飞行， 在没有完全凝固之前被喷射 到激冷沉积基板上，快速凝 固成一定的几何形状。喷射 图1-11 沉积的工艺参数主要包括喷 射沉积时金属液的过热度、 喷射沉积原理示意图[3] 金属液的流率、雾化气体的1.沉积室；2.基板；3.喷射粒子流；4. 压力和熔滴的飞行距离等。气体雾化器；5.合金液；6.坩埚；
改变凝固中金属初生晶粒的生长，获得球状 或类球状的初生晶粒的半固态金属流变浆料， 这些球状或类球状的初生晶粒均匀悬浮在母 液中，在搅拌过程中，通过控制搅拌室温度 来控制半固态金属的固相分数，通过改变叶 片或搅拌棒的转速来控制剪切速度，并可以 保证搅拌过程中的剪切速度不变。
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机械搅拌法
2013-8-13
半固态成形工艺
半固态加工是利用金属从液态向固态转变或固态向液态 转变（液固共存）过程中所具有的特性进行成形的方法。这 一工艺综合了凝固加工和塑性加工的长处，与传统的全固态 锻造和全液态铸造相比，半固态成形工艺具有如下优点： 它是一种近净成形工艺，制品表面质量好，尺寸精度高， 可以获得形状复杂的零件。 制品显微组织细小、均匀，缺陷和偏析减少，成品机械性 能高。 工作温度低，模具热负荷小，因此模具的使用寿命得以延 长。 半固态金属在变形前保持固体形状，便于坯料传输，简化 了送料系统，生产率大大提高。 变形抗力低，因此能耗低，效率高，易于自动控制。
半固态制坯方法及成形工艺
目录
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半固态制坯方法 半固态成形工艺
英文文献综述
2013-8-13
半固态制坯方法
半固态加工技术结合了液态和固态金属 成形的有利条件，具有许多优良的特性， 近年来得到了迅速的发展，其金属浆料 的制备（简称制浆）是半固态成形的基 础和关键，也是半固态加工最基本，最 主要的工序。它要求原始组织为均匀细 小的非枝晶晶粒组织,以确保金属浆料 具有良好的流变性和触变性。【1】
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机械搅拌法
2）连续机械搅拌法 该方法是美国麻省理工学 院Flemings等人发明的， 该装置结构较复杂，造价 较高，搅拌室上方的大金 属熔池可以防止卷入气体， 又可以保证连续供给金属 液。
图1-6 连续机械搅拌示意图
连续供给合金液 感应加热器 液态金属 冷却
2013-8-13
机械搅拌法
图1-8 变形诱变激活方法的工艺原理示意图[1]
2013-8-13
变形诱变激活法
新SIMA 法制备AZ91D 半固态坯[2]
在AZ91D 镁合金半固态坯制备工艺中，应 变诱导-熔化激活法(SIMA)在制备高固相 率半固态坯方面有一定优越性。但由于镁 合金塑性变形难的原因，其制备半固态坯 的晶粒大小和球化效果不是很理想。 等径道角挤压是借助于一种截面尺寸不变、 具有一定交角的模具对坯料实施大的剪切 变形 ，然后将等径道角挤压后的AZ91D镁 合金坯料在半固态区间等温处理制备半固 态坯料. 挤压温度为300°c，挤压道次为1-4 次， 图1-9 坯料每次放入模具再次挤压式旋转90°。 等径道角挤压示意图 挤压后的材料都加工成直径10x10的试样， 1.上模板2. 固定环3. 模架4.AZ91D铸 然后进行等温处理试验。等温处理温度范 坯5. 下模板 6.凹模7. 压板8. 凸模9. 围为515-580°，相应的固相率为85-28%； 垫板 保温时间为10-25min。
铸 造 温 度低， 比常规铸造温 度低1000C左 右，设 备 简 单，可利用传 统的半连续铸 造机，投资大 大减少;
浆料坯锭 的尺寸不受限制(电磁搅 拌制浆锭的 最大尺寸150 mm左右);
可制备铸 造合金，也 可制备变形 合金半固态 浆料，适 合 于 大工业生 产，生产成 本低
2013-8-13
2013-8-13
电磁搅拌法
图1-2 图1-1 电磁搅拌流变示意图 旋转磁场中合金熔体所受的洛伦兹力 感应电磁从熔池边到中心成衰减趋势目前仅能生产直径50～152 mm的铝棒料， 再大直径比较困难
2013-8-13
电磁搅拌法
1.搅拌器 2.结晶器 3.合金熔体 4.中间包 5.引流通道 6.半固态坯料 7.同步锯
2013-8-13
半固态制坯方法
三、变形诱变激活方法（SIMA)
原理： 利用传统连铸方法预先连 续铸造出晶粒细小的金属坯料， 将该金属坯料在回复再结晶的温 度范围内进行大变形量的热态挤 压，通过变形破碎铸态组织，然 后再对热态挤压变形过的坯料加 以少量的冷变形，在坯料的组织 中储存部分变形能量，最后按需 要将经过变形的金属坯料切成一 定大小，迅速将其加热到固液两 相区并适当保温，即可获得具有 触变性的球状半固态坏料。